浅析DCS系统在氢气处理及输送工序中的应用
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【摘要】本文以15万吨/年离子膜烧碱项目配套的氢气处理及输送系统为例，阐述dcs系统对生产及输送易燃易爆物质的工况进行最优控制，避免事故的产生。
一、工艺流程简介
来自于离子膜电解工序的湿H2通常在85℃，并带有碱雾等杂质，需要从氢冷塔的底部进入，与塔内冷却水接触，使得高位水蒸气冷凝，并净化碱雾。冷却后的氢气进入液环式氢压机组进行增压，加压后的氢气压力约在0.01MPa，温度约在40℃。此时的氢气中仍带有部分水汽，需进入汽水分离器。分离后，水进入到洁净水回收池中待用；氢气则通过分配台去往下一工序。
二、控制系统的要求
在此生产过程中，为了使电解槽氢气压力处于稳定状态，需在氢气分配台分配出一路回流氢气到氢压机进口总管，当系统压力波动无法通过调节阀及时调整时，可突破正压水封，释放压力。因此需对氢气的回流、放空压力，氢冷塔液位，正压水封的液位、氢压机组汽水分离器的液位等参量用现场检测仪表进行检测，并按照工艺给定的参数加以实时控制，以保证电解工序与本工序氢气压力稳定，避免易燃易爆介质溢出，造成事故。
三、DCS系统配置
1、硬件部分
本项目的DCS系统采用的是横河公司的CS3000系统（FIO型）。该系统硬件部分配置了1台现场控制站FCS（Field Control Station），1台工程师站ENG（Engineering Station），2台人机界面站HIS（Human Interface Station）以及一套UPS电源，通信总线Vnet。
1.1人机界面站（HIS）
人机界面站即操作站主要功能是为了让操作人员在生产流程图上快速地了解生产运行中的各参数当前值、系统运行状况、是否有异常发生和报警的显示等。本项目为了保证在任何情况下系统能顺利监控生产过程，采用了2台人机界面站。
操作站按照实际需要可选标准型和PC型，标准型要求较高，费用较贵，PC型则相对便宜，但在使用时必须配置VF701卡。
操作站通常包括主机系统、显示器、鼠键等设备，还可以配置操作员专用键盘以便快速有效实施流程图翻页，调出整定、历史趋势信息监视等窗口以及解除报警等功能。
1.2工程师站（ENG）
工程师站可以是单独作为工程师站的PC，也可以兼做操作站，其主要作用有：
系统组态即通过定义过程通道、功能模块，填写顺控表，编写逻辑图块等方式生成和变更操作站的显示和现场控制站的控制要求。
系统测试是用来检查组态后正式开车前系统的工作状态，包括信号类型是否正确，控制动作是否到位，信号反馈是否正常，联锁跳闸条件符合时系统是否能正常跳闸等。
系统维护是对系统硬件状态作定期检查。
系统功能管理主要是用来管理系统文件，即对组态文件生成规定格式后进行保存、检索、传送、复制、初始化或者重新建立。
1.3现场控制站FCS
FCS主要用于过程控制和处理与PLC等子系统的通讯。CS3000系统的FCS分成标准型、增强型和紧凑型。标准型FCS和增强型FCS又可以分成RIO，由RIO Bus连接；以及FIO（Field network IO），由ESB Bus和ER Bus连接。本项目采用的是FIO型的FCS。
FCS包括现场控制单元FCU、ESB总线、ER总线、节点单元构成。其中，FCU是由卡件和单元构成的执行FCS控制运算的核心；ESB总线和 ER总线均是可以双重化的通信总线；节点单元NU是将来至于现场的各类型信号进行转换传送到现场控制单元FCU的装置，包括ESB总线从属接口模块、ER总线接口模块和IO模块。
IO模块种类多，功能各不相同，需要按照实际控制要求进行选取。本项目检测和控制的参量有AI、AO、DI、DO和RTD等类型，且主要控制对象为易燃易爆的氢气，因此需要配置相应的IO模块和隔离模块。
对于氢冷塔氢气出口管压力等AI信号，采用的是AAI143模拟输入模块。它接收4～20mA信号，进行统一隔离。一个AAI143模块可提供16个输入点。
对于氢冷塔氢气出口管温度、氢压机汽水分离器温度等参数，采用的是Pt100热电阻进行测温，信号类型为RTD，选用AAR181人RTD输入模块。该模块为热电阻输入模块，每个模块可提供12个输入点。
对于AO信号，如控制氢气放空阀，氢泵出口总管指氢冷塔进口管回流阀等调节阀，选择AAI543模拟输出模块。该模块提供4～20mA信号，进行统一隔离。每一个模块可提供16个输出点。
对于控制氢压机启停和氢压机组汽水分离器进排水阀等的DO控制，可选用ADV551模块。该模块为数字输出模块，提供24V DC，每一模块提供32个IO点。
对于氢压机和氢冷水循环泵等运行状态的反馈，可采用ADV151模块。该模块为数字输入模块，提供24V DC，每一模块提供32个IO点。
1.4Vnet
实时控制网，用于系统内各部件的通信连接。Ethernet用于HIS、ENG、上位管理系统之间的连接，完成系统与上位管理系统的数据交换及HIS间等值化操作。
1.5总线转换器BCV（BUS Converter）
主要用于将一个系统的实时控制网与其他系统的对接，实现数据的共享。
2、软件部分
在选择好系统所需硬件后，可开始软件的组态工作。本项目使用的是横河CENTUM CS3000，利用系统软件的功能对工艺条件下的氢气处理和输送过程进行有效控制。
2.1建立项目
在建立项目的过程中，系统会自动生成一个控制站和一个操作站，其余控制站和操作站的建立需要按照项目需求来定义。本项目配备两台操作站，一台工程师站和一台控制站。工程师站在平时可用作操作站，将其数据库站名定义为HIS0164；两台操作站分别定义为HIS0163和HIS0162，若需增加操作站，可以依次向前定义其站名。控制站定义为FCS01。
2.2定义项目公共项
公共部分包括报警优先级、报警状态特征字符、报警过程表情、功能块状态特征字符、工厂的等级、工程单位、开关标签、操作标签、状态改变命令字符和安全策略。其中最重要的是操作标签和安全策略的定义。
定义安全策略即是定义安全权限，根据不同的用户设定不同的操作和监视范围。系统默认三个用户名称：OFFUSER（操作工）、ONUSER（操作班长）和ENGUSER（工程师）；两个用户组DEFGRP（默认用户组）和NONEGRP（无用户组）。
本项目中只采用三个用户名对不同操作权限进行管理。操作工级（S1）只可对操作站进行监视；操作班长级（S2）可对操作站进行监视并能对控制过程进行相应的操作。以上两个级别不允许进入工程师站中进行操作和监视。工程师级（S3）可以进入工程师站对系统进行组态和维护，也可以进入操作站中进行操作。
三个不同用户名均可设置独立密码来进行权限保护。
操作标签即挂牌操作，其作用是通过对仪表功能块的挂牌操作可临时改变仪表的操作权限，当操作标签从仪表上摘除后，可恢复其原有的操作权限。仪表权限共有8种。当仪表根据操作需要挂牌后，操作人员可由工位标签和颜色提示来分辨仪表的工作状态。
2.3控制站的定义
首先建立和定义IO卡件。本项目中所采用的卡件无论是数字量还是模拟量均采用多点卡卡件，必须遵循卡件地址的命名规则，如下图示。
对于模拟量多点卡卡件组态时需要选择卡件类型，如Anlog Input；卡件类型，如AAI141―S（16-Channel Current Inptut）；卡件槽号；卡件是否双重化等内容。完成卡件建立后，除了需要对模拟量输出卡件正/反向定义外，其余内容不需要特殊定义。对于数字量卡件则需要对应通道地址号按照控制要求填写工位名称、注释、标签等内容。
其次，按照控制要求建立适用的常规调节仪表进行定义。例如，本项目涉及到氢气总管的压力调节和氢冷塔液位等调节，因此需要对PID仪表和手操器模块进行定义，最终控制现场调节阀的开度。定义PID仪表时还需注意仪表的正反作用必须按照工艺要求设置。下图（1）为氢泵出口总管至氢冷塔氢气进口管回流阀的PID控制模块定义图。图（2）为氢冷塔液位控制阀手操器模块定义图，完成后可手动将MV值输出到控制阀中。
除了PID仪表、手操器模块的定义外，还需要按控制要求定义其他仪表，如对于只需要进行监控的参数比如氢冷塔氢气出口温度，则需要定义PVI仪表等。
第三，顺控表的定义。氢压机组汽水分离器液位关系到氢压机是否能正常工作，通过排水阀和进水阀对其进行控制，当液位小于低限时，排水阀关闭，进水阀打开；当液位高于高限时，排水阀打开，进水阀关闭。此过程应用顺控表来进行控制。在此选择的是ST16模块，如图3示。
2.4操作站的定义
完成以上控制站的组态后，还要对操作站的内容进行定义，包括根据记录的需要和存储空间的大小来设定采样的时间间隔建立趋势图；根据工艺要求建立流程图，定义窗口大小、窗口底色；编辑色变功能、闪烁类型；设置显示数据；定义棒图、触屏和调用窗口等功能。
2.5调试
完成系统组态后，必须进行测试来验证组态内容是否符合项目要求。调试时，需要用信号发生器、万用表等设备来对控制回路的信号、现场设备的动作、联锁条件等进行测试。完成调试后，系统组态才正式完成。
四、结语
横河公司的DCS系统具有功能性强、灵活性高，可靠性好的特点，适用于生产及输送具有易燃易爆介质的工况，能够稳定其控制指标，避免由于参数波动带来的危险，保证生产安全地进行，是很好的工控手段。
参考文献
[1]CENTUM CS1000/CS3000 集散控制系统实用教程（技术资料）[Z].横河电机（中国）有限公司，2006，12，第11版.
[2]兰赤寿，覃文征.氢气处理工艺的改进[J].氯碱工业，2004，03：19-21.